越雄关漫道 修科研真经

吴应清

第三代半导体火了！

2020年9月，网上流传的一则“中国正在规划将大力支持发展第三代半导体产业写入‘十四五’规划之中”的消息，让第三代半导体相关股市板块逆势而上，并持续飘红。加之，鲜少露面的中芯国际创始人、中国半导体之父张汝京在中国第三代半导体发展机遇交流峰会上强调了发展第三代半导体的重要性，并表示“中国半导体材料与国外的差距已不是那么大，我很乐观地相信可以追上”，更是让无数人将目光聚焦到了这一新兴半导体材料上。

那么，什么是第三代半导体？

第一代半导体以硅（Si）和锗（Ge）为代表，目前大部分半导体是基于硅基的。

第二代半导体以砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）为代表，是4G时代的大部分通信设备的材料。

第三代半导体以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅（ZnO）、金刚石为四大代表，是5G时代的主要材料。它将在无线通信、汽车电子、电网、高铁、卫星通信、军工雷达、航空航天等领域应用中具备硅基无可比拟的优势。

虽然，第三代半导体的“走红”势必会加快中国半导体材料的追赶脚步，但是不可否认的是，想要追上甚至超越国际水平，还有较长的一段路要走。南京大学电子科学与工程学院教授修向前就是走在这条路上的人。20多年来，他一直从事GaN基于Ⅲ族氮化物宽带隙半导体衬底材料、生长设备和器件等的研究和应用，致力于在半导体领域打破更多困局，走出一条独立自主的创新之路。

选择——钟其一事，顾其一生

上大学之前，修向前听说“材料科学、能源科学、信息科学将是21世纪的三大支柱产业”，于是他在填报高考志愿时，选择了中国科学技术大学的材料物理专业，早期叫晶体专业。之后，在中国科学技术大学“4-2-3分流”培养计划的支持下，修向前先后取得硕士和博士学位，师从我国晶体物理学家汤洪高和王大志教授，主要从事纳米材料和中低温燃料电池材料的研究。

20世纪80年代末期，日本日亚化学公司的Nakamura等人经过不懈努力突破了制造蓝光LED的关键技术。GaN基蓝色LED的出现，大大扩展了LED的应用领域，从此掀起了第三代半导体材料GaN基半导体照明的革命。

修向前偶然在一次学术报告中得知GaN是重要的第三代半导体材料，且具有禁带宽度大、高电子漂移饱和速度、导热性能好、化学稳定性高等优点，由此对该领域产生了极大的科研兴趣。

1997年，中国科学技术大学和日本电气通信大学进行合作交流项目，在该项目的支持下，修向前到日本电气通信大学留学一年，也就在这时，他的研究方向转向了GaN材料领域。“去之前，要选择一个研究方向，写一个研究计划，我就选择了氮化镓方向。当时，日本在氮化镓方面的研究水平在世界范围内领先，正好有这样一个机会我可以去看看，学习一下。”修向前说道。

在日本电气通信大学，修向前因陋就简，利用现有的高频Plasma CVD设备研究在较低温度下生长GaN的可行性。通过这段研究经历，修向前坚定了未来从事GaN方向研究工作的信念。

2000年，博士毕业后，修向前进入南京大学物理系进行博士后研究。说起他与南京大学的渊源，要追溯到1995年他的本科实习。实习期间，修向前曾来到南京大学参观，南京大学物理系的施毅教授为前来参观的学生介绍了金属有机物气相外延（MOCVD）技术，给他留下了深刻的印象。加之，修向前也了解到当时在南京大学任职的张荣教授、沈波教授等人是国内早期研究GaN材料的学者，在该领域已做出了很多突破性成果，因此他义无反顾地来到了南京大学。

修向前回忆说：“当时是张教授和沈教授面试我，通过那次面试，我发现自己对氮化镓的了解不够深入，他们提出的很多问题，我都不能很好地回答出来。”面试过程中，修向前将这些问题记住，在面试结束后花了几个月的时间对这些问题进行了深入的学习和理解。

修向前还记得进入南京大学物理系后，张荣教授找他第一次谈话的情景。张荣教授问他，在氮化镓方面，是想做偏重技术的研究，还是想做偏重理论的研究。修向前认为氮化镓在工程应用方面很重要，他想将相关工艺做好，完善相关设备，真正解决氮化镓衬底制备的难题。于是，他选择了做技术研究。

至今，修向前已经在氮化镓领域摸爬滚打了20年。在他看来，氮化镓衬底制备难题是一块“硬骨头”，而他立志要做一个敢啃“硬骨头”的人。

成长——迎着困难的进阶之路

来到南京大学物理系（2010年转入新成立的电子科学与工程学院）后，在郑有炓院士和张荣教授的指导下，修向前很快就申请到了原“863”项目“高质量大尺寸自支撑GaN衬底技术”。该项目采用具有高生长速率的氢化物气相外延（HVPE）技术在蓝宝石衬底上生长GaN厚膜，再通过激光剥离技术去除蓝宝石，从而获得自支撑GaN衬底。经过3年的系统研究，修向前在低位错密度GaN横向外延技术、GaN厚膜均匀生长技术和GaN外延层/衬底激光剥离技术方面取得了一系列具有全部自主知识产权的成果，申请了10余项发明专利。在该项目中，张荣和修向前团队研制出了国内第一台卧式HVPE设备，生长速率达到每小时几十微米，并在2005年研制出了国内第一片2英寸高质量自支撑GaN衬底材料。

团队采用激光扫描辐照技术将蓝宝石衬底与GaN厚膜分离，获得高质量GaN自支撑衬底。大面积GaN衬底通常都是在异质衬底（如蓝宝石、SiC、Si等）上气相生长GaN厚膜，然后将原异质衬底分离后获得的。其中在蓝宝石衬底上生长GaN最普遍。为了得到自支撑GaN衬底，必须除去蓝宝石衬底。由于蓝宝石极其稳定，难以采用化学腐蚀方法。一般的方法是用机械磨削，但因蓝宝石很硬，不仅要消耗大量的金刚石磨料，成本很高而且速度极慢。采用激光辐照的方法，利用激光对GaN厚膜和衬底的界面区加热使之分解，可以快速、无损伤地获得自支撑GaN衬底。

由于蓝宝石和GaN之间的大晶格失配和热失配导致蓝宝石外延的GaN薄膜中存在很大应力，在采用激光辐照的方法进行剥离时，激光辐照造成的热冲击会很容易使得GaN衬底样品碎掉，所以需要仔细控制激光能量密度及扫描方式。在当时，国内还没有一家机构能够利用该方法取得高质量GaN自支撑衬底。因此，2004年项目验收时，有专家评价，南京大学利用激光扫描辐照技术制备出1.5英寸的GaN自支撑衬底在当时是一个很大的突破。2005年，修向前团队再接再厉，又成功制备出2英寸的GaN自支撑衬底，其厚度达到了1.2毫米以上。

“宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来”，没有一件事是随随便便就能成功的。在项目攻关过程中，由于实验设备和实验环境有限，修向前团队的研究工作也曾面临着很多困难。

修向前回忆道，刚入职时，相关的科研设备才搭建到一半，他花了两个多月的时间与研究生一起将设备搭建好才开始研究工作。当时实验设备简陋，经常会发生氨气、氯化氢泄漏。因为没有经验，尾气处理部分设计出现失误，导致设备在第一次正式生长GaN时，由于大量的氯化铵生成，水处理装置中氯化铵饱和形成的晶体堵住了气体出口，用于水处理的玻璃容器直接炸裂。在进行材料外延生长时，由于没有及时检测的手段和仪器，研究人员只能依靠光学显微镜观察蓝宝石上GaN的成核情况。在项目攻关最紧要的阶段，将近4个月的时间，修向前每天就睡了两个多小时，在设备旁边支起钢丝床，时刻观察设备运行情况。

除此之外，在激光扫描辐照技术将蓝宝石衬底与GaN厚膜分离时，修向前团队面临着一个很大的难题：因为生长在蓝宝石上的GaN厚膜样品应力非常大，激光打上去样品就碎了。一开始，团队采用点扫描的方式，一个点一个点地打，一行一行地扫，这样的实验做了上千次，依旧以失败告终，无法获得完整的GaN自支撑衬底。几经研究之后，修向前团队转变思路，将翘曲很严重的复合GaN厚膜/蓝宝石衬底倒扣在加热的陶瓷板表面，陶瓷板温度保持在650℃～800℃下，这个时候，蓝宝石和GaN之间的热失配应力基本消除，复合衬底本身是平整的，而不是原来那样凸出，再用准分子激光器进行辐照，最终得到了平整无翘曲的GaN自支撑衬底。值得一提的是，当时使用的准分子激光器是去其他实验室借用的，用于加热的电炉是自己带过去的，当时陶瓷板的温度就是用普通的电炉通过耐火砖围起来达到的。整个过程峰回路转，不禁令人感慨。

2005年，由国家新材料行业生产力促进中心和国家半导体照明工程研发及产业联盟共同编纂的《中国半导体照明产业发展报告》提到：“我国是第三个拥有LED衬底技术专利最多的国家，主要发展的是GaN衬底技术，涉及GaN衬底技术的有10项”，南京大学同期有8项相关专利，此外还有很多相关论文被美国专利引用。同年，修向前团队的研究工作被列入“十五”原“863”优秀成果。

“我们这个工作主要是在张荣教授的指导下完成的，张荣教授应该是国内系统性从事GaN衬底研究工作的第一人，在美国访问期间，曾搭建了第一台立式HVPE设备。我到南京大学后，张荣教授刚从国外回来不久。HVPE设备搭建完成后，他每天都会抽出时间来看看我们的工作进展。因为蓝宝石和氮化镓都是透明的，所以氮化镓长在蓝宝石上很难看出来。实事求是地讲，我当时没有经验，确实看不出来，张教授就耐心地指给我看，直到我自己后来也能在光学显微镜下找到GaN成核点。所以说，张教授对我的指导和帮助非常大，没有张荣教授的领导，我们在GaN方面不会取得这么大的成果，真的很感谢他。自从我们研制出国内第一片自支撑GaN衬底后，国外开始向中国销售GaN衬底。国外相关设备公司也跟我们接触，希望合作将我们的设备技术集成到他们的系统中，或者干脆想直接卖设备给我们。”修向前说道。

担当——积极推动国产装备产业化

近十几年来，GaN衬底的重要性推动了HVPE设备和GaN衬底外延研究取得较大的进展。特别是日本在GaN衬底产业化方面处于领先地位。虽然南京大学于2005年研制出了国内第一片自支撑GaN衬底，并在其后的时间里相继研发了各种类型和各种衬底尺寸的HVPE设备，国内其他单位也实现了2英寸GaN氮化镓衬底的小批量供应，但是相比碳化硅衬底，氮化镓衬底产业仍然远远落在后面。

修向前表示，目前从国内的情况看来，我国并没有完全实现GaN衬底装备的产业化。“因为做氮化镓衬底确实是一个非常难的工作”，以HVPE设备为例，国际上很多大公司从21世纪初就开始对HVPE设备进行研究，但至今仍没有一家实现HVPE设备的商品化。欧洲某半导体设备巨头曾试图推广HVPE设备，但是很不成功，由于该公司并不具有GaN厚膜外延方面的技术，从使用效果上来说并不理想。所以实现GaN衬底生长设备以及衬底的产业化是目前全世界面临的难题。其中，用于GaN衬底制备的HVPE设备技术迄今没有实现商品化，GaN衬底制备工艺不够成熟，共同导致GaN衬底价格昂貴、产量很低，这些都限制了GaN衬底的应用。

2017年9月，修向前承担的国家重点研发计划战略性电子材料重点专项“第三代半导体核心关键装备”项目正式启动。该项目为满足半导体固态照明、紫外照明和探测、高功率高压电力电子器件等领域所用高端光电子材料对设备的需求，提出了发展第三代半导体材料核心装备制造技术。其中，6英寸GaN衬底用HVPE设备的研发实施将使得我国在半导体高端设备研究方面达到国际领先水平。

“通过该项目，我想将我们前十几年的研究成果进行系统综合，并基于此，将GaN衬底装备做成能够推广的商品化设备。”修向前表示，随着工作的推进，他对HVPE设备和GaN衬底外延研究有了更加深入、更加透彻的认识和理解。

“在早期，大家没有氮化镓模板，只能直接在蓝宝石上外延氮化镓。后来有了MOCVD技术以后，虽然重复性会好一些，但是成本提高了。”在该项目中，修向前团队实现了HVPE设备的重复性几乎可达百分之百，大幅度降低了成本。在这之前，修向前已经完成了GaN衬底在蓝宝石上直接生长自剥离的研究，两者结合最终进一步降低了GaN衬底生长的成本，且良率较高。至今，立足于该项目，修向前团队已经申请了十几项核心发明专利，并正在构建专利池。

“为什么这么多年，我只做氮化镓衬底方面的研究，也没想过改变研究方向？我就是想将这方向做成熟，真正实现产业化。我们的目标是，利用我们的技术做成全世界最大的氮化镓衬底产业。”修向前表示，相关的技术问题已大部分解决，目前正在考虑成果落地的工作。除此之外，核心关键装备技术的研究还要与用户实际需求相结合，为将来国产装备的落地找好“出口”。

育人——兴趣和勤奋是成功的阶梯

“学问必须合乎自己的兴趣，方可得益。”20多年的科研路上，修向前过五关斩六将，克服了重重难关，解决了大大小小的难题，交出了一张张成绩优秀的答卷。而支撑他一路披荆斩棘、乘风破浪的主要原因就是他对科研工作的热爱。

在修向前看来，兴趣是做好科研的重要动力，只有保持对科学研究的热爱和对未知的好奇，才能持续在这条路上走下去。因此，在教学工作中，他十分重视学生的兴趣培养。除了兴趣之外，他认为，勤奋也是科研路上的必备品质。他说道：“学好自己的专业课程，毋庸置疑是学生时代最重要的任务。我个人认为，基础知识的学习对未来的科研工作是非常重要的，只有打好专业基础，才能走得更加扎实。”

目前，修向前承担着大学本科课程和研究生课程的教学任务，除了毫不保留地传授知识外，他还注重从做科研的角度培养学生，例如鼓励学生自主展开学习，到实验室进行实践等。他表示：“光有基础知识是不够的，你还要学会将自己的知识应用到科研工作当中。我们很看重学生的阅读文献的能力、发现问题的能力以及解决问题的能力，这些都是非常关键的。我们希望，学生不仅有扎实的理论知识，还要有很强的动手能力。”

“人若志趣不远，心不在焉，虽学无成。”修向前坦言，他对科学研究的兴趣来源于，他认为自己所从事的科研工作是非常重要的。支持他不断前进的动力除了对科学研究的兴趣之外，还有对第三代半导体材料技术发展的使命感，于他而言，在该领域贡献自己的力量就是实现自己的人生价值。与此同时，他也希望在興趣之外，学生们也可以树立为国家某一个行业或某一个领域贡献自己力量的志向。

如今，第三代半导体材料技术正在成为抢占下一代信息技术、节能减排及国防安全制高点的最佳途径之一，是战略性新兴产业的重要组成内容。作为核心技术之一，GaN衬底相关技术在新时代更是有着举足轻重的作用。在该领域，修向前正在加速开疆拓土。采访的最后，谈起未来的打算，他想了想还是那句话：“加快成果落地，做成全世界最大的氮化镓衬底产业。”

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